Datenkonnektivität in der Automobilindustrie: Trends und Herausforderungen

Das Akronym ACES gewinnt als das Kürzel an Bedeutung, das die vier Haupttrends der Mobilität zusammenfasst.  Automatisiert.  Vernetzt (Connected).  Elektrifiziert.  Gemeinsame Mobilität (Shared Mobility).  Zu diesen Themen ist viel geschrieben worden, und spannende technische Entwicklungen machen rasante Fortschritte. 
 

• Beim automatisierten oder unterstützten Trend geht es um die Ausgewogenheit von Entscheidungsfindung und Kontrolle zwischen dem Fahrer und seinem Automobil.  Erhöhte Datenverfügbarkeit und Verarbeitungsleistung in einem Fahrzeug ermöglichen erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems) wie Antiblockierbremsen (ABS), Kollisionsalarm, Spurhaltefunktion, Fußgängererkennung und automatisches paralleles Parken.  Zusätzliche ADAS-Funktionen werden kontinuierlich eingeführt. Die adaptive Karosseriehöhenregelung beispielsweise nutzt seitliche Bewegungssensoren, um einen bevorstehenden Seitenaufprall zu erkennen und die Karosseriehöhe des Fahrzeugs um bis zu 10 cm oder mehr zu erhöhen. Mehr Unterstützung durch das Fahrzeug bedeutet mehr automatisierte Funktionalität, während wir uns auf dem Weg zu möglicherweise 100 Prozent Unterstützung (vollautonomes Fahren) befinden.
  
  
• Der Verbindungstrend hängt mit dem immer größer werdenden Wunsch der Gesellschaft zusammen, miteinander in Kontakt zu bleiben.  Angesichts der jüngsten weltweiten Ereignisse wird erwartet, dass die Anzahl persönlicher und geschäftlicher Reisen mit dem Auto ansteigen wird, da sich die Menschen wohler fühlen und mehr Kontrolle über ihre Privatsphäre haben.  Verbraucher erwarten die Möglichkeit, Infotainment-Inhalte (Musik, Filme) zu streamen, online einzukaufen, Fahrten zu navigieren und Geschäfte (professionell und persönlich) direkt von ihren Autos aus zu führen. Vorbei sind die Zeiten, in denen man zu Hause oder im Büro sein muss, um eine optimale Verbindung zu erhalten.
  
  
• Der Elektrifizierungstrend ist die Migration von Verbrennungsmotoren auf Elektromotoren (E-Motoren) als primäre Antriebsmethode.  Dieser Trend wird durch den Wunsch angetrieben, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, die Auspuffemissionen zu reduzieren (auch zu beseitigen) und die Energieeffizienz zu verbessern.  Sensorsuiten und komplexe Steuerungsalgorithmen werden eingesetzt, um die Leistung des E-Motors zu optimieren, Wartungskosten zu senken, Batterien sicher aufzuladen und die zurückgelegte Strecke pro Ladung zu maximieren. Zusammen mit der Einführung von Batterie-Elektrofahrzeugen (BEV) kommt die Notwendigkeit, darüber nachzudenken, wann und wo man sein Auto auf einer Reise auflädt.  Durch die automatische Verarbeitung von Reichweiten-, Standort- und Routeninformationen sprechen Autos diese Reichweitenangst direkt an, weil sie zu günstig gelegenen Ladestationen navigieren können.
  
  
• Der Trend zur gemeinsamen Mobilität wird durch die Nachfrage nach gemeinsamen Transportdiensten und das Potenzial, den Besitz von Fahrzeugen im Austausch für einen einfachen Zugang zu Fahrzeugen zu reduzieren, angetrieben. Das Fahrzeugerlebnis muss für jeden Benutzer personalisiert werden. Schließlich wird jedes gemeinsam genutzte Fahrzeug die Möglichkeit haben, für den Fahrer personalisiert zu werden, genau wie das Smartphone, Tablet, PC und Heimfernsehen maßgeschneiderte Erlebnisse bieten.  Ob Fahrservices wie Uber oder Lyft oder Car-Sharing-Fahrzeugvermietung wie ZipCar oder Turo – der leicht verfügbare Zugriff auf Mobilitätsanwendungen (Apps) sowie Daten aus der Cloud macht dies möglich.

Die Datenkonnektivität entwickelt sich schnell zur wichtigsten Technologievoraussetzung in der Automobilindustrie. Alles begann mit dem Verbinden der Steuergeräte im Fahrzeug. Dann wurden Smartphones mit dem Fahrzeug verbunden. Heute sind viele Autos in der Lage, autonom Informationen aus dem Internet zu sammeln. Der nächste logische Schritt wird sein, Autos miteinander und mit der Umwelt zu verbinden – mit der V2X (Vehicle to everything)-Technologie. Die Datenkonnektivität für Automobilanwendungen ist vielfältig und bedient eine Vielzahl von Anwendungen über gemeinsame Datennetzwerke.  Anwendungen passen in der Regel in eine von drei verschiedenen Funktionskategorien: Sicherheit und Schutz, Komfort, Effizienz.  Die Datenkonnektivität in der Automobilindustrie wird in der Regel in drei physischen Kategorien betrachtet: Fahrzeug-zu-Welt; im Fahrzeug; Fahrzeug-zu-Insassen. Informationen können von einem der physischen Datenkonnektivitätspfade generiert und von diesen bezogen sowie von einer der funktionalen Anwendungen verwendet werden.
 

• Fahrzeug-zu-Welt-Verbindungen. Seit Jahren war die drahtlose Kommunikation für den Verkehr vor allem Einbahnstraßen für Radiosendungen. Heute sind Fahrzeuge im Wesentlichen zu hochmobilen Sensoren und rollenden Computerplattformen geworden. Die zweiseitige Kommunikation zwischen dem eigenen Fahrzeug und dem Rest der Welt ist eine Funktion, die sichere, sichere, bequeme und effiziente Anwendungen ermöglicht, die alle in die ACES-Trends passen. Einige Beispiele für diese drahtlosen Kommunikationswege, die Antennen verwenden, um das Auto mit der Welt zu verbinden, sind:
• AM/FM/DAB/TV
• LTE/5G
• GPS/GNSS
• V2X
   

V2X ist die Abkürzung für „Vehicle-To-Everything“. Der Begriff beschreibt die Kommunikation eines Fahrzeugs mit umliegenden oder interagierenden Verkehrsteilnehmern und Strukturen, die andere Fahrzeuge (V2V), Straßeninfrastruktur (V2I), Fußgänger (V2P) usw. umfassen. Der Trend, sich auf Informationen zu verlassen, die in ein Fahrzeug ein- und austreten, bedeutet mehr denn je, dass Daten einwandfrei und von einer vertrauenswürdigen Quelle empfangen werden müssen.
 

• Verbindungen in Fahrzeugen. Die Vernetzung im Auto ist seit 40 Jahren Teil der Fahrzeugarchitektur. Beispiele für einige der am häufigsten verwendeten verdrahteten Netzwerke in Fahrzeugen sind:
• CAN
• LIN
• Flexray
• MOST
• Kameravideo
• Automotive Ethernet      

Mit der Entwicklung hin zu fortschrittlichen Fahrerassistenzsicherheitssystemen und der größeren Anzahl automatisierter Fahrfunktionen im Fahrzeug werden Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungsspuren in Fahrzeugen immer relevanter für die Sicherheit des Fahrzeugs.  Das bedeutet, dass neue Designfunktionen für Fahrzeugkomponenten benötigt werden und dass Fahrzeug-Erstausrüster bei der Definition der Architektur und der Auswahl des Kommunikationsprotokolls die Grenzen der physikalischen Kanaleigenschaften berücksichtigen müssen.
 

• Fahrzeug-zu-Insassen-Verbindungen . Eine wichtige Verbindung, die es zu berücksichtigen gilt, ist die Verbindung zwischen Mensch und Maschine. Ob Informationen für den Fahrer, die Unterhaltung eines Passagiers oder die nahtlose Integration mit persönlichen Geräten – die Verbindung zwischen den Insassen und dem Fahrzeug selbst wird immer wichtiger. Über das digitale Cockpit von morgen werden Fahrer und Insassen gleichermaßen Erlebnisse vermittelt, die speziell auf sie zugeschnitten sind. Sitz- und Spiegeleinstellungen, Musikvoreinstellungen, Navigationseinstellungen und Adressbuchinformationen können beispielsweise dem Fahrer automatisch von einem Fahrzeug zum nächsten folgen. Für Passagiere können Streaming-Dienstkonten und Wi-Fi-Einstellungen unabhängig vom Auto bereitstehen. Einige Beispiele für Verbindungen zwischen Fahrzeug und Insassen sind:
•  WLAN
• Bluetooth
• USB
• WiFi
• Anzeigen    

Die sich entwickelnden Datenkonnektivitätsspezifikationen und -anforderungen sind anspruchsvoll, und OEMs und Zulieferer in der Automobilindustrie arbeiten zusammen, um diese Herausforderungen bei Fahrzeugen zu bewältigen.

• Es gibt eine große Vielfalt an Datenübertragungsstrategien (Funktionsschicht) und Übertragungsprotokolle (physische Schicht), und das nicht nur zwischen verschiedenen Fahrzeugherstellern, sondern sogar in einem einzigen Fahrzeug. Drahtlose Verbindungen (Antennen) gibt es in vielen Varianten, abhängig von der Frequenz und dem Protokoll der Schnittstelle. Verdrahtete Verbindungen können differenziell verdrillt, koaxial, abgeschirmt, ungeschirmt usw. sein.  Sie können sogar optisch sein.
  
  
• Die Verbindungen müssen schnell sein.  Kommunikationsarchitekturen in Fahrzeugen nähern sich Geschwindigkeiten von bis zu 12 GB pro Sekunde. ACES-gesteuerte Anwendungen mit ihren ständig steigenden Rechengeschwindigkeiten, die für kritische Entscheidungen erforderlich sind, erfordern eine hohe Bandbreite, hohe Volumen und Kommunikationskanäle mit geringer Latenz.
  
  
• Verbindungen müssen robust und zuverlässig sein.  Der Datenaustausch muss einwandfrei sein, auch in einer vollelektrischen Hochleistungsumgebung. Datenverbindungen müssen strengen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entsprechen, um sicherzustellen, dass sie nicht versehentlich unerwünschte Emissionen ausstrahlen und auch nicht anfällig für unbeabsichtigte elektromagnetische Felder sind. Die Kommunikationskanäle im Fahrzeug werden Temperatur- und Vibrationsextremen ausgesetzt.
  
  
• Die Verbindungen müssen klein sein und zur Kommunikationsarchitektur passen.  Sie müssen Miniaturisierungs- und Leichtbauansätze von Automobilherstellern und Systemlieferanten unterstützen. Da die Elektronik weiter schrumpft, während die Funktionalität wächst, können und sollten Steckverbinder die Baugröße der Elektronik nicht vorgeben. Ob für einen verteilten Architekturansatz oder für einen zentralisierten – die Konnektivitätslösung muss dem Ansatz entsprechen.  Neue Architekturen mit Clustern zur Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung, die die Signalverarbeitung für Anwendungen, die auf Sensorfusion basieren, unterstützen, werden immer anspruchsvollere Anforderungen an den Datenaustausch innerhalb von Fahrzeugen stellen.

TE Connectivity ist ein systemkundiger Anbieter von Datenkonnektivitätskomponenten mit Elektronikarchitektur und physischem Integrations-Know-how, der es uns ermöglicht, die technische Sprache unserer Kunden zu sprechen.  Wir arbeiten mit Kunden zusammen und bieten Anwendungsunterstützung zur Optimierung ihrer Systeme durch optimierte integrierte Komponentenlösungen. Während unsere Kunden neue und verbesserte Fahrzeugarchitekturen entwickeln, bilden wir ein Team, um ein optimiertes Design skalierbarer Subsysteme und Komponenten für sie bereitzustellen. Vom Zeitpunkt der Digitalisierung der Informationen bis zum Zeitpunkt ihrer Erfassung arbeitet TE mit seinen Kunden zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln und zu liefern, die ihren Anforderungen an die Datenkonnektivität entsprechen. Wir unterstützen unsere Kunden mit einem umfassenden Produktportfolio, technischer Designexpertise und Know-how sowie Fertigungs- und Anwendungswerkzeugen. Wir nutzen die Leistungsfähigkeit von TE – unsere Tiefe und Breite von Branchen und Märkten, die von unseren Ingenieuren, Wissenschaftlern und unserer globalen Präsenz bedient werden.
 

• Produktportfolio.  Als weltweit führender Anbieter von Konnektivitätslösungen arbeiten wir mit unseren Kunden und anderen Technologieführern der Branche zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die diese physischen und drahtlosen Herausforderungen der Automobilkonnektivität der datengestütztern Zukunft bewältigen. Basierend auf allen wichtigen Medien (differential, koaxial und optisch) und Übertragungstechnologien bietet unser umfassendes Portfolio leistungsstarker Datenkonnektivitätslösungen Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungsprodukte, die entwickelt wurden, um den steigenden Leistungsanforderungen von Fahrzeug-zu-Welt-, Im-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Insassen-Verbindungen gerecht zu werden.
   

Wir bieten Simulationsmodelle für unsere Komponenten, um die Kanalleistung basierend auf den Verbindungsanforderungen zu berechnen und gleichzeitig miniaturisierte und modulare Konstruktionen zu unterstützen, die eine optimale Integration in Legacy- und Next-Generation-Architekturen ermöglichen. Beispielsweise kann das miniaturisierte Koaxial-Steckverbindersystem (MATE-AX) von TE den Anschlussbedarf auf einer Leiterplatte im Vergleich zu einer herkömmlichen FAKRA-Komponente um bis zu 75 % reduzieren und gleichzeitig eine höhere Bandbreite bieten. Das miniaturisierte Automotive Ethernet-Steckverbindersystem (MATEnet) von TE erfüllt den Bedarf an effizienten Verkabelungslösungen für physikalische Verbindungstechnologien, die nahtlos in bestehende Steuergeräteschnittstellen in komplexeren Hochgeschwindigkeitsdatennetzwerkarchitekturen integriert werden können. Darüber hinaus bietet unser Portfolio an Antennen und drahtlosen Konnektivitätstechnologien externe Kommunikationslösungen für Broadcast-, Mobilfunk- und Telematik- und V2X-Dienste der nächsten Generation. Hier entwickeln wir auch integrierte Lösungen, die Antennen und Transceiver kombinieren, um Komplexität sowie Platz- und Leistungsbedarf zu reduzieren.
 

Unser Portfolio erreicht eine hohe Kanalleistung, die auf die Spezifikationen der physikalischen Schichten mehrerer Chiphersteller abgestimmt ist.  Dazu gehört auch unsere neue Lösung für Multi-Gigabit-Ethernet-Steckverbinder, die Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s und, mit anderen Protokollen, von über 20 Gbit/s  unterstützen und damit die Anforderungen von Sicherheits- und autonomen Fahranwendungen der nächsten Generation erfüllen.  Darüber hinaus wurden die Datenkonnektivitätsprodukte von TE speziell für die Anforderungen rauer Automobilumgebungen entwickelt und entsprechen Standards wie LV214 und USCAR, die die strengsten Umweltanforderungen erfüllen. Sie werden auch anhand der strengsten Spezifikationen für Signalintegrität und elektromagnetische Verträglichkeit getestet, wie z. B. dem One-Pair Ethernet (OPEN) Alliance Technical Committee.
 

• Technische Designexpertise und Know-how. Das Team von Ingenieuren, Kontaktphysikern und Materialwissenschaftlern von TE Connectivity arbeitet auf der Grundlage von mehr als 75 Jahren Erfahrung in physischen Verbindungssystemen eng mit Kunden zusammen, um optimierte Lösungen für immer höhere Konnektivitätsanforderungen und -herausforderungen zu entwickeln. Mit Designzentren auf der ganzen Welt können alle Simulationen, Modellierungen, Prototypen und Tests in der Nähe des Standorts unserer Kunden durchgeführt werden. Weitere technische Möglichkeiten umfassen: HF-Design und EMV-Expertise; Design-, Fertigungs- und Anwendungswerkzeug-Expertise in miniaturisierter und konformer Verbindungstechnologie, die kleine, robuste Verpackungen ermöglicht; nahtlose Elektronikintegration; maßgeschneiderte Antennensysteme für optimierten Signalempfang und -übertragung; robuste Steckverbinderschnittstellen für die Datenübertragung im Fahrzeug; PHY-zu-PHY-Kanalanalyse, einschließlich Komponentenlimitspezifikationen und vollständiger Link-Performance.
  
  
• Tiefe und Breite der belieferten Industrien und globale Präsenz. TE Connectivity bedient eine Vielzahl von Kunden aus verschiedenen Branchen und Märkten, darunter Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Industrie, Haushaltsgeräte, Transport, um nur einige zu nennen.  Durch die Vernetzung und Nutzung unseres gesamten Unternehmens können unsere auf die Automobilindustrie fokussierten Ingenieure auf das Wissen und die Erfahrung von Kollegen auf der ganzen Welt zurückgreifen, um Herausforderungen in der Automobilindustrie zu lösen.  Wir nehmen an verschiedenen Normungsausschüssen und Branchenkonsortien teil, die es uns ermöglichen, Problemlösungen frühzeitig anzugehen. Wir investieren im Voraus intensiv in F&E und versuchen, bei der Lösung schwieriger Herausforderungen in der Branche zusammenzuarbeiten, bevor sie zu Problemen für unsere Kunden werden.
  
  
• Fertigungs- und Anwendungswerkzeuge. Als globaler Hersteller von Konnektivitätslösungen mit einem internen Geschäftsbereich Anwendungswerkzeuge praktizieren wir nicht nur erstklassige Fertigungsprozesse für unsere Produkte, sondern bestätigen auch, dass unsere Produktdesigns mit den Herstellungsmethoden und -praktiken bestimmter Kunden übereinstimmen. Wir verfügen über die Werkzeuge und Geräte, um Designs für die sich ständig weiterentwickelnden Anforderungen der Betriebsumgebung zu optimieren. Wir arbeiten mit der gesamten Lieferkette zusammen, vom Chiphersteller über Modulhersteller bis hin zu Systemlieferanten, um eine optimierte Systemleistung für Datenintegrität und Signalqualität zu bieten. Wir bieten die richtige Datenkonnektivitätslösung für die jeweilige Anwendung und den spezifischen Bedarf.

1. V2X – An Important Building Block in Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS), Thomas Adam, Swen Kopp, Steffen Lang, Andreas Winkelmann, TE Connectivity Whitepaper,
2. Electromagnetic Compatibility in Connected and Electrified Vehicles, Jens Wulfing, TE Connectivity Whitepaper,
3. Robust Connectivity Solutions for Next-Generation Automotive Data Networks, Christian Rusch, Bert Bergner, TE Connectivity Whitepaper
4. ACES: Framing the Future of Automotive Mobility, February 17, 2020  —  Viewpoints (https://www.arm.com/blogs/blueprint/viewpoints), By Chet Babla, VP Automotive, Arm
5. What does ACES Mobility Mean for Transportation?, By Hilary Davidson (https://www.act-news.com/author/hilary-davidson/), May 30, 2019, Advanced Clean Tech News
6. Fireworks About ACES As Key Acronym For The Future Of Mobility And Self-Driving Cars, Dr. Lance B. Eliot, https://www.forbes.com/sites/lanceeliot/2019/07/04/fireworks-about-aces-as-key-acronym-for-the-future-of-mobility-and-self-driving-cars/#1cb789c654ec
7. Mobility's autonomous future, Kersten Heineke and Philipp Kampshoff, McKinsey & Company

Connectivity: Turbocharging the new mobility ecosystem, Michele Bertoncello, Gianluca Camplone, and Asad Husain, McKinsey & Company

8. Ridesharing and the great urban shift, Troy Baltic, Russell Hensley, and Jeff Salazar, McKinsey & Company